Neue Einblicke ins Werkstoffinnere

Mit dem Zweistrahl-Rasterelektronenmikroskop können Forscher die Oberfläche von Materialien abtragen, um im Anschluss einen Blick ins Innere zu werfen. Und die Terahertz-Technologie erweitert inzwischen die Möglichkeiten der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung.

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Für den Blick ins Innere von Werkstoffen wie Stahl stehen unterschiedliche Techniken der Mikroskopie zur Verfügung. An der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) kommt dazu seit Kurzem ein sogenanntes Zweistrahl-Rasterelektronenmikroskop zum Einsatz. Damit können die Forscher die Oberfläche von verschiedenen Materialien abtragen, um im Anschluss einen Blick ins Innere zu werfen. Zudem können sie mit dieser Technik, gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft und dem Land Rheinland-Pfalz, 3D-Bilder der winzigen Strukturen erstellen. 

"Das Gerät besteht aus zwei Komponenten", erläutert Tilmann Beck vom Lehrstuhl für Werkstoffkunde an der TUK die Bau- und Funktionsweise. "Es besitzt einen Ionenstrahl, mit dessen Hilfe wir beim zu untersuchenden Material zunächst die Oberfläche abtragen, um an die Schichten darunter zu gelangen." Im Anschluss könnte dann die bearbeitete Stelle mit dem Elektronenmikroskop untersucht werden. Außerdem erlaube es die Technik, dreidimensionale Bilder von Mikrostrukturen zu erstellen. "Wir erhalten auch Informationen über die chemische Zusammensetzung des Werkstoffs und über die Kristallstruktur", sagt Beck und nennt ein Beispiel: "Wir können untersuchen, was an einer Spitze eines Risses passiert und wie er sich weiterentwickelt." 

Terahertz-Schichtdickenmessung 

Unterdessen kann das Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut (HHI) einen Entwicklungserfolg in der Terahertz-Technologie verzeichnen, die sie nach eignen Angaben zu einer Schlüsseltechnik für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung machen könne. Wesentliche Vorteile der Technologie seien Untersuchungen ohne physischen Kontakt und die Analyse komplexer Systeme mit niedrigem Kontrastbereich. Auf der Messe IMTS Mitte September in Chicago zeigten die Wissenschaftler ein kompaktes Messsystem, das erstmals Dicken von Mehrschichtsystemen in Echtzeit bestimmt – zum Beispiel für Anwendungen in Lackierungsstraßen. 

Dauerstrich-Laser ersetzt Femtosekunden-Pulslaser

Trotz großer Erwartungen gelang der Terahertz-Messtechnik lange nicht der erhoffte Durchbruch. Im Vergleich zu klassischen Verfahren der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung wie Röntgenstrahlung oder Ultraschall galt sie schlicht als zu teuer. Den Forschern um Björn Globisch, Leiter der Terahertz-Forschungsgruppe am HHI, ist es nun gelungen, auf Basis von vergleichsweise preiswerten Standardkomponenten ein kompaktes Messgerät zu entwickeln, in dem die bisher benötigten Femtosekunden-Pulslaser durch kompakte Dauerstrich-Laser ersetzt werden konnten. Das System schafft acht Messungen pro Sekunde und ermöglicht damit erstmals Echtzeitmessungen ohne Verwendung eines gepulsten Lasers. Das vom HHI eingesetzte Prinzip zur Erzeugung von Terahertz-Strahlung basiert auf einem optoelektronischen Verfahren. Mithilfe eines speziellen Halbleiterbauelements wird dabei die Schwebung zweier Dauerstrich-Laser in Terahertz-Strahlung umgewandelt, die genau der Differenzfrequenz der beiden Laser entspricht.

Anwendungsbeispiel Oberflächentechnik

Die Überprüfung von Lacken und Beschichtungen ist eine wichtige Anwendung der berührungslosen Terahertz-Messtechnik. "Aufgrund der vielfältigen Anforderungen an den Autolack werden mindestens vier verschiedene Schichten auf eine moderne Karosserie aufgetragen. Bisher war es nicht möglich, die Dicke solcher Mehrfachschichten auf Metall oder Kunststoff zerstörungsfrei zu messen – die Terahertz-Technologie soll dies künftig ändern", schreiben die Autoren der Helmut Fischer GmbH in der Fachzeitschrift JOT Journal für Oberflächentechnik, Ausgabe 12/2017.

Auf metallischem Untergrund, wie einem Autoblech, könnten heute handliche Wirbelstromgeräte eingesetzt werden. Auf schlecht leitenden Faserverbundwerkstoffen aber versage dieses Verfahren. Ultraschall biete hier zwar eine Alternative, setze jedoch wiederum mechanischen Kontakt zur Oberfläche voraus. "Der Bedarf nach einem zuverlässigen Messverfahren ist groß", analysiert Globisch, "weil der Markt für Verbundwerkstoffe in der Auto-, Flugzeug- und Windkraftindustrie wächst."

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